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液压驱动圆柱坐标机械手臂设计【全套7张CAD图纸+毕业论文】【原创资料】

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定单227-液压驱动圆柱坐标机械手臂设计【最终】

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伸缩缸支座-A2.dwg

升降缸盖-A3.dwg

圆柱坐标机械手臂装配图-A0.dwg

底座-A3.dwg

空心活塞-A3.dwg

转动缸体-A2.dwg

转动缸盖-A3.dwg

图纸-CAXA

伸缩缸支座-A2.exb

升降缸盖-A3.exb

圆柱坐标机械手臂装配图-A0.exb

底座-A3.exb

空心活塞-A3.exb

转动缸体-A2.exb

转动缸盖-A3.exb

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摘要

机器人不仅是一种自动化的机器。机器人是一种可重新编程的、多功能的、机械手,为实现各种任务设计成通过可改变的程序动作来移动材料、零部件、工具或是其他专用装置。

本设计的是一种圆柱坐标式机械手,该装置具有三个独立运动(两个直线运动、一个旋转运动)，也就是所说的三个自由度。该机构中立柱可相对于机座旋转210度，回转速度70度/秒，可水平伸缩距离800mm，移动速度约0.25m/s，机械手可上下垂直运动，其垂直升降量330mm，移动速度约0.6m/s，机械手最大夹持重量15Kg。旋转运动采用摆动液压马达（旋转液压缸）驱动，水平伸缩运动采用液压缸驱动，垂直升降运动仍采用液压缸驱动。

本文首先向分析了液压驱动圆柱坐标式机械手臂的研究现况提出符合本次设计要求的方案，接着针对机械手臂各个部分进行详细的设计与校核并且对液压机控制系统进行了详细分析与设计拟定了液压系统原理图，最后用CAD软件绘制了液压驱动圆柱坐标式机械手臂的装配图和主要零件图。

关键字：液压驱动，圆柱坐标，机械手，液压缸

Abstract

Not only is an automated robotic machinery . Robot is a reprogrammable , multifunctional manipulator designed to achieve a variety of tasks that can be changed by the program action to move material , parts , tools or other specialized devices.

This design is a cylindrical coordinate manipulator , the device has three independent movement ( two linear motion, a rotary motion ) , also known as the three degrees of freedom. The agency in the column can rotate relative to the base 210 degrees , rotation speed 70 °/s , horizontally scalable distance 800mm, moving speed of about 0.25m/s, the robot up and down vertical movement , the vertical movements 330mm, moving speed of about 0.6 m/s, the maximum clamping manipulator weight 15Kg. Oscillating rotary motion using a hydraulic motor ( rotating cylinder ) driven , horizontal telescopic hydraulic cylinder driven movement , vertical movement is still driven by hydraulic cylinders .

Firstly, the analysis of the hydraulic drive cylinder coordinate Robot status of proposed research meets the design requirements of this program , followed by a detailed design and check for each part of the robot arm and hydraulic control system analysis and design to develop a detailed hydraulic system schematics, and finally with CAD software to draw a hydraulically driven cylindrical coordinate mechanical arm assembly drawings and major parts diagram .

Keywords: Hydraulic drive, Cylindrical coordinates , Robots, Hydraulic cylinders

摘要1

Abstract2

第一章绪论4

1.1背景及意义4

1.2机械手概述5

1.2.1机械手的组成5

1.2.2机械手的分类5

1.3 国内外发展状况6

第二章总体方案设计7

2.1 设计要求7

2.1.1 动作要求7

2.1.2参数要求7

2.2方案拟定8

2.2.1初步分析8

2.2.2 拟定方案8

第三章机械手手部设计9

3.1手部分析9

3.2夹紧力及驱动力的计算11

3.3 夹紧油缸的设计12

3.4手抓的设计12

第四章机械手臂部设计14

4.1臂部整体设计15

4.2手臂伸缩驱动力计算16

4.2.1 手臂摩擦力的分析与计算16

4.2.2手臂密封处的摩擦阻力的计算17

4.2.3手臂惯性力的计算17

4.3手臂伸缩油缸的设计18

4.3.1确定液压缸的结构尺寸18

4.3.2液压缸外径的设计19

4.3.3活塞杆的计算校核19

4.3.4 油缸端盖的设计20

第五章机械手机身设计22

5.1 机身的整体设计23

5.2回转机构的设计24

5.2.1回转缸驱动力矩的计算24

5.2.2 回转缸尺寸参数的确定25

5.3机身升降机构的设计27

5.3.1手臂片重力矩的计算27

5.3.2升降导向立柱不自锁条件28

5.3.3升降油缸驱动力的计算28

5.3.4升降缸尺寸参数的确定29

第六章机械手液压及控制系统设计31

6.1系统工况图分析31

6.1.1手部夹紧缸31

6.1.2 臂部回转缸31

6.1.3 臂部伸缩缸32

6.1.4臂部升降缸33

6.2液压系统方案拟定34

6.2.1调速回路方案分析34

6.2.2 快进回路方案分析36

6.2.3夹紧回路的选择37

6.3液压元件的计算和选择38

6.3.1液压泵38

6.3.2确定油箱容量39

6.3.3液压元件的选择39

6.4液压系统性能验算40

6.4.1验算回路中的压力损失40

6.4.2液压系统发热温升计算41

总结43

参考文献44

致谢45

第一章绪论

1.1背景及意义

机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。我国的工业机械手是从80年代"七五"科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过"七五","八五"科技攻关,目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术,控制系统硬件和软件设计技术,运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有130多台喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离。

世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在汽车行业中还在不断开辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。

随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中液压机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的液压机械手有气控机械手、XY轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。随着工业自动化程度的提高，机械手的应用领域越来越广。机械手能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具。机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度、提高生产效率。

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圆柱坐标机械手臂装配图-A0.gif

底座-A3.gif

空心活塞-A3.gif

伸缩缸支座-A2.gif

升降缸盖-A3.gif

转动缸盖-A3.gif

转动缸体-A2.gif

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内容简介：: 液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 1 摘要机器人不仅是一种自动化的机器。机器人是一种可重新编程的、多功能的、机械手 ,为实现各种任务设计成通过可改变的程序动作来移动材料、零部件、工具或是其他专用装置。本设计的是一种圆柱坐标式机械手 ,该装置具有三个独立运动 (两个直线运动、一个旋转运动 )，也就是所说的三个自由度。该机构中立柱可相对于机座旋转 210 度，回转速度 70 度 /秒，可水平伸缩距离 800mm，移动速度约 0.25m/s，机械手可上下垂直运动，其垂直升降量 330mm，移动速度约 0.6m/s，机械手最大夹持重量 15Kg。旋转运动采用摆动液压马达（旋转液压缸）驱动，水平伸缩运动采用液压缸驱动，垂直升降运动仍采用液压缸驱动。本文首先向分析了液压驱动圆柱坐标式机械手臂的研究现况提出符合本次设计要求的方案，接着针对机械手臂各个部分进行详细的设计与校核并且对液压机控制系统进行了详细分析与设计拟定了液压系统原理图，最后用 CAD 软件绘制了液压驱动圆柱坐标式机械手臂的装配图和主要零件图。关键字：液压驱动，圆柱坐标，机械手，液压缸 nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 2 Abstract Not only is an automated robotic machinery . Robot is a reprogrammable , multifunctional manipulator designed to achieve a variety of tasks that can be changed by the program action to move material , parts , tools or other specialized devices. This design is a cylindrical coordinate manipulator , the device has three independent movement ( two linear motion, a rotary motion ) , also known as the three degrees of freedom. The agency in the column can rotate relative to the base 210 degrees , rotation speed 70 /s , horizontally scalable distance 800mm, moving speed of about 0.25m/s, the robot up and down vertical movement , the vertical movements 330mm, moving speed of about 0.6 m/s, the maximum clamping manipulator weight 15Kg. Oscillating rotary motion using a hydraulic motor ( rotating cylinder ) driven , horizontal telescopic hydraulic cylinder driven movement , vertical movement is still driven by hydraulic cylinders . Firstly, the analysis of the hydraulic drive cylinder coordinate Robot status of proposed research meets the design requirements of this program , followed by a detailed design and check for each part of the robot arm and hydraulic control system analysis and design to develop a detailed hydraulic system schematics, and finally with CAD software to draw a hydraulically driven cylindrical coordinate mechanical arm assembly drawings and major parts diagram . Keywords: Hydraulic drive, Cylindrical coordinates , Robots, Hydraulic cylinders nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 3 目录摘要 . 1 Abstract . 2 第一章绪论 . 5 1.1 背景及意义 . 5 1.2 机械手概述 . 5 1.2.1 机械手的组成 . 6 1.2.2 机械手的分类 . 6 1.3 国内外发展状况 . 6 第二章总体方案设计 . 8 2.1 设计要求 . 8 2.1.1 动作要求 . 8 2.1.2 参数要求 . 8 2.2 方案拟定 . 8 2.2.1 初步分析 . 8 2.2.2 拟定方案 . 8 第三章机械手手部设计 . 10 3.1 手部分析 . 10 3.2 夹紧力及驱动力的计算 . 11 3.3 夹紧油缸的设计 . 12 3.4 手抓的设计 . 12 第四章机械手臂部设计 . 15 4.1 臂部整体设计 . 15 4.2 手臂伸缩驱动力计算 . 16 4.2.1 手臂摩擦力的分析与计算 . 16 4.2.2 手臂密封处的摩擦阻力的计算 . 17 4.2.3 手臂惯性力的计算 . 18 4.3 手臂伸缩油缸的设计 . 18 4.3.1 确定液压缸的结构尺寸 . 18 4.3.2 液压缸外径的设计 . 19 4.3.3 活塞杆的计算校核 . 19 4.3.4 油缸端盖的设计 . 20 第五章机械手机身设计 . 23 nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 4 5.1 机身的整体设计 . 23 5.2 回转机构的设计 . 24 5.2.1 回转缸驱动力矩的计算 . 24 5.2.2 回转缸尺寸参数的确定 . 25 5.3 机身升降机构的设计 . 27 5.3.1 手臂片重力矩的计算 . 27 5.3.2 升降导向立柱不自锁条件 . 28 5.3.3 升降油缸驱动力的计算 . 28 5.3.4 升降缸尺寸参数的确定 . 29 第六章机械手液压及控制系统设计 . 31 6.1 系统工况图分析 . 31 6.1.1 手部夹紧缸 . 31 6.1.2 臂部回转缸 . 31 6.1.3 臂部伸缩缸 . 32 6.1.4 臂部升降缸 . 33 6.2 液压系统方案拟定 . 34 6.2.1 调速回路方案分析 . 34 6.2.2 快进回路方案分析 . 36 6.2.3 夹紧回路的选择 . 37 6.3 液压元件的计算和选择 . 38 6.3.1 液压泵 . 38 6.3.2 确定油箱容量 . 39 6.3.3 液压元件的选择 . 39 6.4 液压系统性能验算 . 40 6.4.1 验算回路中的压力损失 . 40 6.4.2 液压系统发热温升计算 . 41 总结 . 43 参考文献 . 44 致谢 . 45 nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 5 第一章绪论 1.1 背景及意义机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。我国的工业机械手是从 80 年代七五科技攻关开始起步 ,在国家的支持下 ,通过七五 ,八五科技攻关 ,目前已经基本掌握了机械手操作机的设计制造技术 ,控制系统硬件和软件设计技术 ,运动学和轨迹规划技术 ,生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机器人，其中有 130 多台喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，孤焊机器人已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离。世界工业机械手的数目虽然每年在递增，但市场是波浪式向前发展的。在新世纪的曙光下人们追求更舒适的工作条件，恶劣危险的劳动环境都需要用机器人代替人工。随着机器人应用的深化和渗透，工业机械手在汽车行业中还在不断开辟着新用途。机械手的发展也已经由最初的液压，气压控制开始向人工智能化转变，并且随着电子技术的发展和科技的不断进步，这项技术将日益完善。随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中液压机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。本文讲述的液压机械手有气控机械手、 XY 轴丝杠组、转盘机构、旋转基座等机械部分组成。主要作用是完成机械部件的搬运工作，能放置在各种不同的生产线或物流流水线中，使零件搬运、货物运输更快捷、便利。随着工业自动化程度的提高，机械手的应用领域越来越广。机械手能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具。机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度、提高生产效率。 1.2 机械手概述机械手也被称为自动手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。随着工业机械化和自动化的发展以及液nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 6 压技术自身的一些优点，液压机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 1.2.1 机械手的组成机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有 2 3 个自由度。 1.2.2 机械手的分类机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、液压式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为 “Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人 1.3 国内外发展状况机械手首先是从美国开始研制的。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。 1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司 ,专门生产工业机械手。 nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 7 1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran 机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于 1 毫米。联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至 1977年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中的重要一环。一般概况国内机械行业应用的机械手绝大部分为专用机械手 ,附属于某一设备 ,其工作程序是固定的。通用机械手也有发展 ,目前应用的都是开关式点位控制型 ,伺服型已试制出数台在调试中 ,连续轨迹控制型还没有。控制方式有触点固定程序控制占绝大多数 ,专用机械手多采用这种控制。 nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 8 第二章总体方案设计 2.1 设计要求 2.1.1 动作要求要求设计的机械手能在几台机械设备之间搬运和装卸工件。由手部握紧工件，往上抬起离开定位装置，手臂缩回，水平回转 90 度，手部放下工件。 2.1.2 参数要求伸缩行程： 800mm，伸缩速度， 250mm/s 升降行程： 330mm，升降速度， 60mm/s 回转范围： 210，回转速度， 70/s 参考抓取重量： 15kg 2.2 方案拟定 2.2.1 初步分析机械手抓重为 15kg，按工业机械手的分类，属于中型，按用途分为通用机械手，其特点是具有独立的控制系统、程序可变、动作灵活多样，通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适合于不断变换生产品种的中小批量自动化生产。圆柱坐标式机械手与直角坐标式械手相比，占地面积小而活动范围大，结构较简单，并能达到很高的定位精度，因此应用广泛。但由于机械手的结构关系，沿 Z 轴方向移动的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的对象。 2.2.2 拟定方案 (1)由初始参数拟定整体设计方案通用机械手是 36 个自由度，而本次设计为 3 由度圆柱坐标机械手，其结构简图如图 2-1： nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 9 图 2-1 结构简图 (2)整体结构由于本设计要求完成手臂的升降，旋转以及伸缩三个动作。则可以考虑升降在下或回转缸在下两种方式。通过综合考虑，本次试验决定采用升降缸在下的形式。结构示意图如图 2-1 和图 2-2 所示图 2-2 构示意图图 2-3 手臂部分构示意图如图 2-1所示，花键轴套与机座相连，当中装有花键轴以此来对升降缸的活塞进行导向。同时回转缸的转轴与升降缸的活塞是一体的。回转缸的动叶片与缸体相连，而缸体的上端盖连接手臂，以此来带动整个手臂的回转。手臂部分如图4.2所示，在伸缩缸的活塞顶部安装夹紧缸。两者分别负责手抓的伸出和夹紧动作。 nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 10 第三章机械手手部设计 3.1 手部分析手部按其夹持工件的原理，大致可分为夹持和吸附两大类。夹持类最常见的主要有夹钳式，本设计主要考虑夹钳式手部设计。夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘、套类零件，一般情况下多采用两个手指。滑槽杠杆式手部设计的基本要求为： (1)应具有适当的夹紧力和驱动力。 (2)手指应具有一定的开闭范围。 (3)应保证工件在手指内的夹持精度。 (4)要求结构紧凑，重量轻，效率高。 (5)应考虑通用性和特殊要求。本设计考虑到设计的简便，采用了滑槽式杠杆回转型的手部结构。简图如下。驱动杆可以连接液压缸，由液压缸带动其往复运动从而让手指夹紧或放松。通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，用了滑槽式杠杆回转型的手部结构。简图如下。驱动杆可以连接液压缸，由液压缸带动其往复运动从而让手指夹紧或放松。下面对其基本结构进行力学分析： (a) (b) 图 3-1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析 1-手指 2-销轴 3-杠杆 nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 11 在杠杆 3 的作用下，销轴 2 向上的拉力为 F，并通过销轴中心 O 点，两手指1 的滑槽对销轴的反作用力为 F1 和 F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线 1oo 和 2oo并指向 o 点，交 1F 和 2F 的延长线于 A 及 B。由 XF=0 得 1F = 2F 由 YF=0 得 1F =2cosF1F = 1F 由 Mol(F) =0 得 1F =NFh cosah F= 2cosNb Fa 式中 a-手指的回转支点到对称中心的距离 (mm)。 -工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。由分析可知，当驱动力 F 一定时，角增大，则握力NF也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好 = 030 040 3.2 夹紧力及驱动力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按公式计算： 1 2 3NF K K K G式中 1K 安全系数，通常 1.22.0； 2K 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估 ga1K 2 其中 a 是重力方向的最大上升加速度 maxva t响， g=9.8 m/s ； maxv 运载时工件最大上升速度； nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 12 t响系统达到最高速度的时间，一般选取 0.030.5s； 3K方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择； G被抓取工件所受重力（ N）。计算：设 a=40mm,b=120mm, =35；机械手达到最高响应时间为 0.5s，求夹紧力NF和驱动力 F 和驱动液压缸的尺寸。 (1) 设 1K =1.6 maxV=60 mm/s st=0.5s ga1K2 =1.01 3K=0.5 根据公式，将已知条件带入： NF=1.61.010.515kg9.8=119N 根据驱动力公式得： (2) 计算F=abcos22NF=40 35cos01222 119=479N 取 85.0 (3) 计算实际FF = 85.04796 =599N 3.3 夹紧油缸的设计确定液压缸的直径 D 224F D d pQ 实际选取活塞杆直径 d=0.5D，选择液压缸压力油工作压力 P=3MPa 则 D= ）（实际26.01F4p 75.01035994618.42mm 根据液压缸内径系列表（ JB826-66），选取液压缸内径为： D=25mm，根据装配关系，外径为 36mm。则活塞杆直径为： d=25 0.5=12.5mm，根据活塞杆标准系列选取 d=12mm。 3.4 手抓的设计 nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 13 机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性好，并有足够的抓取能。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。图 3-3 手抓夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为 3060mm。夹持误差不超过 3mm，分析如下：工件的平均半径： CPR=26030=45mm 手指长 L=120mm，取 V 型夹角 02 120 偏转角： = 1cosLsinRcp = 1cos 60sin120 45=64.34 按最佳偏转角确定： =64.34 计算理论平均半径 c o sLs inR0120sin60cos64.34=45mm 因为 m in0m a x RRR 2222m a x2m a x21 as i nLaco ss i n2)s i n(L RLR 222222 4044 . 36s i n201404 . 3 46co s06s i n 601202)06s i n 60(201 1.484 nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 14 2222m i n2m i n22 as i nLaco ss i n2)s i n(L RLR 222222 404 . 3 46s i n2014044 . 36co s06s i n 301202)06s i n 30(201 0.166 所以 =1.4843 夹持误差满足设计要求。 nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 15 第四章机械手臂部设计 4.1 臂部整体设计手臂部件是机械手的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并带动它们作空间转动。臂部运动的目的：把手部送到空间范围内的任意一点。因此，臂部具有两个自由度才能满足基本要求：即手臂，左右回转和升降运动。手臂的各种运动由油缸驱动和各种传动机构来实现，从背部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的静动载荷，而且自身运动又较多，故受力复杂。因而，它的结构，工作范围，灵活性以及抓重大小和定位精度等都直接影响机械手的工作性能。机身是固定的，它直接承受和传动手臂的部件，实现臂部的回转等运动。臂部要实现所要求的运动，需满足下列各项基本要求： 1）机械手臂式机身的承载机械手臂式机身的承载能力，取决于其刚度，结构上采用水平悬伸梁形式。显然，伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度逾差，而且其刚度随支臂杆的伸缩不断变化，对于机械手的运动性能，位置精度和负荷能力等影响很大。 2）臂部运动速度要高，惯性要小机械手臂的运动速度是机械手主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般时根据生产节拍的要求来决定。在一般情况，手臂回转要求均速运动，（ V 和w 为常数），但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前的加速度不能太大，否则引起冲击和振动。对于高速运动的机械手，其最大移动速度设计在 1000 1500mm/s，最大回转角速度设计在 180 /s 内，在大部分行程距离上平均移动速度为 1000mm/s 内，平均回转角速度为 90 /s 内。 3）手臂动作应灵活为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滑动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件，导向件和定位件布置应合理，使手臂运动过程尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生 “卡死 ”的现象（自锁现象）。 4）位置精度要高一般说来，直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高；除此之外，要求机械手同用性要好，能适合做种作业的要求；工艺性要好，便于加工和安装；用于热加nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 16 工的机械手，还要考虑隔热，冷却；用于作业区粉尘大的机械手，还要设置防尘装置等。考虑到本次设计的机械手最大夹持重量 15Kg，抓取重量较小，因此本设计选择油缸杆伸缩机构，其手臂的伸缩油缸活塞杆安装在导向套内，减小油缸杆的弯曲应力。活塞杆受拉压和弯曲载荷共同作用，受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。使用液压驱动，液压缸选取双作用液压缸。其详细结构如下图示：图 4-1 臂部结构 4.2 手臂伸缩驱动力计算先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算为 F F F F F 回摩密惯 4.2.1 手臂摩擦力的分析与计算由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。 0AM bG L aF总 nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 17 得 b GLF a 总 0Y baG F F总得 a LaFG a 总 a b a bF F F F F 摩摩摩 2 LaFG a 总摩式中 G总参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（ N）； L手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（ m） ,参考上一节的计算 ; a导向支撑的长度（ m） ; 当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。对于圆柱面： 57.127.124 摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取 5.01.0 钢对铸铁：取 3.018.0 计算：油缸杆的材料选择钢，导向套支撑选择钢 .30.51.20 ，预估N600总G ，已知 L=800mm，导向支撑 a 设计为 200mm 将有关数据代入进行计算 a aLGF 2总摩 600 2 00 2 006 002.30 =1260N 4.2.2 手臂密封处的摩擦阻力的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用 O 型密封圈，当液压nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 18 缸工作压力小于 10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：封F=0.03F。 4.2.3 手臂惯性力的计算惯F=0.1tvG 总式中总G参与运动的零件的总重力（包括工件） (N)； v 从静止加速到工作速度的变化量 (m/s)； t 启动时间 (s)，一般取 0.010.5；设启动时间为 0.2s， v 最大为 0.233m/s。则：惯F=0.1.20 332.0600 =69.9N 由于背压阻力较小，可取回F=0.05F 所以 F =摩F+惯F+封F+回F=1260+69.9+0.03F+0.05F 求得 F =1446N 所以手臂伸缩驱动力为 F =1446N。 4.3 手臂伸缩油缸的设计表 5-1 液压缸的工作压力作用在活塞上外力 F（ N）液压缸工作压力 Mpa 作用在活塞上外力 F（ N）液压缸工作压力 Mpa 小于 5000 0.81 2000030000 2.04.0 500010000 1.52.0 3000050000 4.05.0 1000020000 2.53.0 50000 以上 5.08.0 经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力 F=4378N，根据表 5-1 选择液压缸的工作压力 P=1MPa； 4.3.1 确定液压缸的结构尺寸液压缸内径的计算，如图 5-2 所示图 4-2 双作用液压缸示意图 nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 19 当油进入无杆腔： 4211DPPF 当油进入有杆腔： 4 )(2212dDPPF 液压缸的有效面积： 1PPS (mm2 ) 所以 11 13.14PPPPD （无杆腔） 214 dPPD （有杆腔）式中 P 活塞驱动力 (P)； 1p 油缸的工作压力 (MPa)； d 活塞杆直径；油缸机械效率，工程机械中用耐油橡胶可取 =0.96；由上节求得驱动力 F=1446N， 1p =1MPa，机械效率 =0.96 将数据代入得： 11 13.14PPPPD =61016.9014463.11=43.8mm 根据表 4-1（ JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择 D=50mm. 4.3.2 液压缸外径的设计外径按中等壁厚设计，根据（ JB1068-67）取油缸外径外径选择 76mm. 4.3.3 活塞杆的计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长 L大于直径 d 的 15 倍以上，按拉、压强度计算： pd 4(mm) 设计中取活塞杆材料为碳钢，碳钢许用应力的 =100120Mpa。本次取 =110 nts液压驱动圆柱坐标机械手臂设计 20 则： 6101104.1314464d =4.1mm 考虑到手部夹紧油缸需内置于该活塞杆，而前述已算得手部夹紧油缸外径为36mm，所以活塞直径按下表取 d=36mm，满足强度和装配要求。表 5-2 活塞杆直径系列（ GB/T2348-93） 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125

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